БРСКЙЮ ОЕПЕУНДМШИ
Компьютерная анимация и видеографика. Лекция 5.
Компьютерная анимация и видеографика
Лекция 5.
- текстурирование
- обзор программ для создания 3D графики и анимации
- генераторы ландшафтов
- создание персонажей
- остальные
Текстурирование.
Наложение текстуры или текстурирование (texture mapping) - это
метод, посредством которого на поверхность объекта накладывается некоторое изображение,
называемое изображением текстуры.
Простота идеи метода наложения текстуры весьма обманчива, поскольку
в общем контексте графического конвейера этот метод открывает нетривиальные
возможности. Перечислим некоторые области, где применение текстур оказывается
весьма полезным:
текстуры можно использовать для того, чтобы показать материал,
из которого сделан объект. Например, на обычный параллелепипед наносится зернистая
картина среза дерева и он становится деревянным брусом; на поверхность может
быть нанесена картина закрашенных повторяющихся прямоугольников и поверхность
превращается в стену, сложенную из кирпичей
с помощью текстурирования можно наглядно представить физические
свойства объектов в приложениях научной визуализации. Например, данные о температуре
кодируются цветом и наносятся на объект, позволяя видеть, как геометрия влияет
на протекание процессов теплопереноса
текстуры дают возможность моделировать световые эффекты, например
отражение, при создании фотореалистичных изображений
Технология текстурирования заключается в проецировании изображения
на трехмерную поверхность, таким образом, обеспечивается дополнительная детализация
3D объекта без усложнения его геометрии.
Впрочем, когда изображение используется в качестве текстуры, накладываемой
на 3D примитив, проявляется множество разнообразных ошибок визуализации, называемых
артефактами.
Сэмплинг (point-sampling) - простейший
метод текстурирования, в котором для отображения одной точки используется всего
один тексел. Этому методу присущ серьезный артефакт: когда наблюдатель приближается
вплотную к текстурированной поверхности, происходит пикселизация. Для избежания
этого артефакта используют другие методы текстурирования, основанные на фильтрации
текстур.
Билинейная фильтрация (bi-linear
filtering) это техника устранения искажений изображения (фильтрация), таких,
как "блочности" текстур при их увеличении. При медленном вращении или движении
объекта (приближение/удаление) могут быть заметны "перескакивания" пикселов
с одного места на другое, т.е. появляется блочность. Во избежании этого эффекта
применяют билинейную фильтрацию, при использовании которой для определения цвета
каждого пикселя берется взвешенное среднее значение цвета четырех смежных текселей
и в результате определяется цвет накладываемой текстуры. Результирующий цвет
пикселя определяется после осуществления трех операций смешивания: сначала смешиваются
цвета двух пар текселей, а потом смешиваются два полученных цвета.
Однако, существует целый класс артефактов визуализации, появляющихся
в результате наложения текстур и известный под названием "depth aliasing" (депт-алиасинг,
ошибки определения глубины сцены, другое название Z-aliasing), от которых билинейная
фильтрация не избавляет и не может избавить.
Ошибки "depth aliasing" возникают в результате того факта, что
объекты более отдаленные от точки наблюдения, выглядят более маленькими на экране.
Если объект двигается и удаляется от точки наблюдения, текстурное изображение,
наложенное на уменьшившийся в размерах объект становится все более и более сжатым.
В конечном счете, текстурное изображение, наложенное на объект, становится настолько
сжатым, что появляются ошибки визуализации. Эти ошибки визуализации особенно
нежелательны в анимации, где такие артефакты во время движения становятся причиной
мерцания и эффекта медленного движения в той части изображения, которая должна
быть неподвижной.
Как только вертикальная сторона квадрата (высота) сокращается
по длине до двух пикселей, напротив голубой стрелки, обратите внимание на появление
артефактов "depth-aliasing" выражающихся в том, что несколько квадратов сливаются
в один.
Для избежания ошибок "depth aliasing" и имитации того факта, что
объекты на расстоянии выглядят менее детализированными, чем те, что находятся
ближе к точке наблюдения, используется техника, известная как mip-mapping.
Если говорить кратко, то mip-mapping - наложение текстур, имеющих разную степень
или уровень детализации, когда в зависимости от расстояния до точки наблюдения
выбирается текстура с необходимой детализацией.
Mip-текстура (mip-map) состоит из набора заранее отфильтрованных
и масштабированных изображений. В изображении, связанном с уровнем mip-map,
пиксель представляется в виде среднего четырех пикселей из предыдущего уровня
с более высоким разрешением. Отсюда, изображение связанное с каждым уровнем
mip-текстуры в четыре раза меньше по размеру предыдущего mip-map уровня.
Слева направо мы имеем mip-map уровни 0, 1, 2 и т.д. Обратите
внимание, что чем меньше становится изображение, тем больше теряется деталей,
вплоть до самого маленького, когда не видно ничего, кроме расплывающегося пятна
из серых пикселей.
Степень или уровень детализации - Level of Detail или просто LOD,
используются для определения, какой mip-map уровень (или какую степень детализации)
следует выбрать для наложения текстуры на объект.
Рer-polygon mip-mapping (mip-текстурирование по каждому полигону).
LOD вычисляется всего лишь раз для всего треугольника, следствием использование
этого значения для всех пикселей треугольника становится появление странного
эффекта растрескивания, когда некоторые треугольники, из которых состоит анимированный
объект, вдруг внезапно становятся чрезмерно размытыми или с неровностями.
Рer-pixel mip-mapping (попиксельное mip-текстурирование). Для
каждого пикселя в треугольнике вычисляется значение LOD для определения того,
какая mip-текстура имеет нужный уровень фильтрации , то в результате предотвращается
появление ошибок визуализации и излишней размытости.
В то время, как mip-текстурирование решает проблему ошибок "depth-aliasing",
его использование может стать причиной появления других артефактов. При удалении
объекта все дальше от точки наблюдения, происходит переход от низкого mip-map
уровня (соответствующего изображению с высокой детализацией) к высокому mip-map
уровню (соответствующего изображению с высокой степенью фильтрации и низкой
детализацией). В момент нахождения объекта в переходном состоянии от одного
mip-map уровня к другому, появляется особый тип ошибок визуализации, известных
под названием "mip-banding" (мип-бендинг) -- полосатость или слоеность, т.е.
явно различимые границы перехода от одного mip-map уровня к другому.
Особенно остро проблема наличия ошибок "mip-banding" стоит в анимации,
за счет того, что человеческий глаз очень чувствителен к смещениям и может легко
заметить место резкого перехода между уровнями фильтрации при движении вокруг
объекта.
Трилинейная фильтрация (tri-linear
filtering) представляет собой технику, которая удаляет артефакты "mip-banding",
возникающие при использовании mip-текстурирования. При трилинейной фильтрации
для определения цвета пикселя берется среднее значение цвета восьми текселей,
и в результате семи операций смешивания определяется цвет пикселя. При использовании
трилинейной фильтрации возможен вывод на экран текстурированного объекта с плавно
выполненными переходами от одного mip уровня к следующему, что достигается за
счет определения LOD путем интерполяции двух соседних mip-map уровней. Таким
образом решая большинство проблем, связанных с mip-текстурированием и ошибками
из-за неправильного расчета глубины сцены ("depth aliasing").
Мультитекстурирование (Multitexturing).
Мультитекстурирование - метод рендеринга с использованием нескольких
текстур за минимальное число проходов. Текстуры накладываются на объект последовательно,
с использованием разного рода арифметических операций. Мультитекстурирование
позволяет конвейеризировать наложение текстур с использованием нескольких (обычно
двух) блоков текстурирования. Рисунок наглядно демонстрирует выполняемые действия.
Первый блок накладывает на пиксел текстуру Tex0, используя операцию
Op0, передает пиксел второму блоку. Этот пиксел передается второму блоку, который
накладывает на него текстуру Tex1, используя операцию Op1. В это время первый
блок не ждет, а переходит к обработке следующего пиксела, и т.д.
Мультитекстурирование может использоваться для эффективной реализации
таких эффектов как:
- карты освещенности (lightmaps)
- отражения (reflections)
- морфинг текстур (texture morphing)
- текстуры с детализацией (detailed textures)
Обзор программ для создания 3D графики и анимации.
3D Studio Max.
Производитель : Discreet (ранее Kinetix)
Программы для моделирования, анимации и рендеринга для PC под
Win95/NT. Сегодня MAX - это один из самых популярных, если не самый популярный
пакет 3D-графики и анимации. Старейшая программа на платформе PC работает теперь
не только с (полигонами), но и с NURBS, что позволяет использовать
ее для сложного моделирования. А к услугам профессионалов в области видео -
и трэкинг движения, и продвинутый рендеринг и тысячи других возможностей, которые
с успехом используются в кино и на телевидении. Результаты работы этого пакета
вы можете увидеть во многих голливудских фильмах (Lost in Space, Ally McBeal
и пр.). Открытая архитектура, удобный интерфейс, большое количество внешних
модулей и дополнений (plug-ins) обеспечили этому пакету беспрецедентный успех
во всем мире.
LightWave 3D. Производитель : NewTek
О мощности и возможностях этого пакета трехмерного моделирования
и анимации могут сказать кадры из фильмов SeaQuest DSV и Babilon 5. Огромный
выбор инструментов, множество Plug-In, высокая скорость рендеринга, при наличии
аппаратного OpenGL изменения при редактировании отображаются в реальном времени.
trueSpace 3.0. Производитель : Caligari
Главным отличием trueSpace 3.0 от предыдущих версий этой популярной
программы - мощный алгоритм трассировки лучей. Программа также имеет средства
для NURBS-моделирования и анимации по ключевым кадрам. Специальные возможности
включают проверку на пересечение (collision detection), отрисовку текстуры непосредственно
на 3D-модели, инверсную кинематику, создание кожного покрова (skinning) и "цифровую
глину" (plastiforming). Позволяет строить VRML-миры.
TrueSpace 4.0 предлагает все средства версии 3.0 и добавляет некоторые
другие возможности. Особо стоит отметить новые алгоритмы рендеринга от фирмы
Lightwork Design - Lightworks Pro rendering engine. Теперь здесь реализованы
такие методы просчета, как излучательность (radiosity), создание объемного света
(volumetric light), которые наряду с адаптивным сглаживанием (antialiasing)
и некоторыми очень изящными эффектами дают прекрасные результаты. trueSpace
известен своим своеобразным интерфейсом, который, впрочем, несложен для освоения
даже для начинающих пользователей.
Infini-D. Производитель : MetaCreations
Мощная программа, которая заставляет отнестись к 3D-анимации почти
как ко второй натуре, демонстрируя совершенное равновесие профессиональных возможностей,
высококачественных спецэффектов, и рендеринга вещательного качества. Все эти
качества размещаются внутри удобной, интуитивно понятной рабочей среды. Версия
4.5 приобрела значительно более быстрый рендеринг, надежное средство пакетной
обработки, мощные эффекты с частицами и поддержку новой сетевой технологии MetaCreations
под названием MetaStream. А возможность синхронизации звука, цветокорекции и
способность приостанавливать и продолжать процесс рендеринга, добавляют ей привлекательности
в глазах профессионалов.
Maya. Производитель : Alias | Wavefront
Maya - это результат более чем десятилетнего труда разработчиков
программного обеспечения компаний Alias, TDI и Wavefront. Все лучшие идеи и
возможности пакетов Alias Power Animator, TDI Explore, Wavefront Advanced Visualizer,
Dynamation и Kinemation были собраны воедино и реализованы в совешенно новом
проекте. И действительно Maya производит впечатление действительно нового СОВРЕМЕННОГО
программного обеспечения для 3D анимации. Это не очередная версия одного из
существующих средств, это абсолютно независимый, заново написанный на языке
С, потрясающе быстрый софт с новой архитектурой, который действительно является
новым шагом в области 3D анимации и спецэффектов.
POV-Ray. Производитель : PovTeam
Программа POV-Ray (Persistence Of Vision Raytracer) написана на
стандартном C и доступна вместе с текстами программ для всех широко используемых
платформ. После инсталляции POV-Ray представляет собой один исполняемый файл
- собственно трассировщик и несколько каталогов с файлами палитр цветов, текстур
и примеров 3D-сцен. Сцены для трассировки описываются в текстовых файлах на
С-подобном языке. Эти файлы вместе с возможным дополнительным файлом параметров
для визуализации являются входными данными для программы. Результат работы трассировщика
- изображение, сохраненное в файле в формате TGA.
Пример сцены на POV-Ray:
#include "colors.inc"
#include "shapes.inc"
#include "textures.inc"
camera { location up right look_at
}
light_source { color White }
sphere { , 2 texture { pigment {color Green} finish {phong 1} } }
plane { ,0 pigment { checker color Red color Blue } }
Генераторы ландшафтов
Bryce 3D. Производитель : MetaCreations
Bryce не является привычным универсальным 3D редактором, пришедшим
из мира САПР и способным лучше всего генерировать втулки и шестеренки. Bryce
это оригинальный генератор ландшафтов, порождающий удивительные природные структуры
похожие на горы, планеты, водные поверхности. Интерфейс программы больше напоминает
игрушку чем отягощенные различными настройками системы проектирования. Работать
можно начинать сразу, не заглядывая в скучные хелпы и не роясь в однотипных
книжках с тоннами воды вместо информации. Интерфейс удивительно красив и понятен.
Просто берете в руки мышку и лепите свои миры, острова и планеты. Накладываете
время суток, туман, дождь, восход солнца или любую другую ситуацию. Можно запустить
второе Солнце или понаблюдать на мир из под воды.
Экспортируемые текстурируемые ландшафты пригодятся большинству
программ 3D-моделирования/анимации, типа LightWave фирмы NewTek, MetaCreations
Ray Dream Studio (.RDS) или Infini-D. Такой подход позволяет использовать превосходные
ландшафты и интерьеры в других профессиональных пакетах, с сохранением всех
заданных свойств после подробного визуального обследования. Однако известный
ранее только как фантастический генератор ландшафтов, Bryce постепенно приобрел
все свойства универсальных 3D-пакетов. Он все еще по прежнему создает превосходные
ландшафты, но уже не ограничивается этим и позволяет выполнять более "приземленные"
работы типа интерьеров ванной.
World Construction Set. Производитель
: Questar Productions LLC
Наиболее мощная и перспективная программа моделирования земной
поверхности. Кроме обычных для этого класса программ понятий и обьектов (таких
как горы, водная поверхность, туман, атмосфера, освещение) оперирует новыми,
до сих пор уникальными среди подобных пакетов явлениями:
- Terrafectors (поверхностные эффекты). Дороги, реки, плотины,
озера, кратеры, горные цепи.
- Ecosystems. Растительность генерируется в соответствии с законами
природы, а не просто как заливка заданной поверхности.
- Представление поверхности не как плоскости, а как сфероида.
Т.е. в общем случае, Вы можете сгенерировать всю планету целиком.
Программа совместима по формату выходного файла с 3D MAX и Lightwave.
Т.е. создав ландшафт или анимацию в WCS, Вы можете экспортировать их в форматах
3DS/LW и затем использовать для дальнейшей проработки деталей эти редакторы.
Программа уникальна своим "глобальным" подходом к моделированию Земли и проработанностью
тонких особенностей экосистемы. В этом кстати ее огромное преимущество перед
Bryce, в котором легко создаются фантастические ландшафты и практически невозможно
создать что-то действительно похожее на реальную земную жизнь. Области применения
WCS соответствуют ее впечатляющим возможностям. Это и генерирование карт земной
поверхности и создание "реальных" анимационных роликов. Прорисовка ландшафтов
в компьютерных играх тоже очень часто выполняется в World Construction Set.
Animatek World Builder. Производитель
: Animatek
Конкурент для Bryce и WCS. Одной из основных особенностей этого
пакета является его тесная интеграция с 3D Max. Уже сам интерфейс AWB абсолютно
идентичен интерфейсу 3D Studio Max. Путем несложных операций Вы можете установить
связь между пакетами и затем рендерить ландшафты AWB в 3D Studio вместе со всеми
прочими обьектами, эффектами и анимацией. Кроме того программа может сохранять
свои сцены в 3DS, DXF, VistaPro DEM и VRML форматах.
Cоздание персонажей
Poser. Производитель : MetaCreations
Основная направленность - моделирование 3-мерных фигур людей.
Начиная с третьей версии Poser обрел "фирменный" интерфейс, столь характерный
для продуктов Metacreations. Все действия выполняются мышкой и обучение работе
с программой идет мгновенно. Здесь не нужно решать головоломки с настройками
параметров. Poser - это игра, в процессе которой рождается фигурка человека.
Работа с фигурой в реальном времени позволяет свободно изменять позы и размеры
вашей модели, накладывать улыбку или гримассу ненависти, менять прическу, обьем
мышц, освещение, точку обзора и массу других параметров.
В Poser есть средства анимации фигур. Т.е. Вы можете заставить
танцовщицу выполнять немыслимые па, спортсмен будет бежать по гаревой дорожке,
а наездник на лощади скакать и брать барьеры. Обширная библиотека поз и базовых
фигур сводит к минимуму даже работу по приданию необходимого положения будущему
человеку. Можно просто выбрать одну из десятков имеющихся поз и применить ее
к своей модели.
Программа несомнено относится к категории "The Best". Можно конечно
сравнивать ее с конкурирующими средствами универсальных 3D пакетов, но по легкости
использования, скорости и наглядности получения результата, Poser неподражаем.
4-ая версия Poser-a добавила новую библиотеку одежды и возможность
трансформировать тело человека, вместе с его одеждой. Одежда стала более естественной.
Она мнется, дает складки. Eще одна новинка - Scetch Designer, позволяющий наносить
2-мерные мазки и рисунки на фигуру и фон сцены.
Character Studio.
Производитель : Unreal Pictures.
Character Studio состоит из двух модулей - Biped (Двуногие) и
Physique (Телосложение).
Biped. С помощью Biped (Create -> Systems -> Biped), создается
скелет с нужным количеством конечностей, пальцев, с хвостом или без него.
Подгоняются пропорции частей тела Biped, их положение под оболочку.
Производится анимация полученного каркаса (Традиционная keyframe
пригодна для создания людей, не ходящих/бегающих. Частично "автоматическая"
с помощью footsteps (опорных следов) и Biped Dynamics).
Physique. Cоздаются вздувающиеся при изгибе мышцы и гладкие сочленения.
Остальные
TreeDesigner. Производитель : JHubert
Software
TreeDesigner это программа для моделирования деревьев, листвы
и других иерархических структур.
TreeDesigner использует OpenGL 3D view чтобы показывать модели
деревьев. Модель может быть модифицирована прямо в окне просмотра при помощи
мышки. Программа использует "интуитивную" модель редактирования структуры деревьев
и в сочетании с WYSIWYG-интерфейсом это делает моделирование действительно легким
и понятным. Модели созданные в TreeDesigner можно экспортировать в DXF или 3DS
форматы, а так же в POV-Ray формат .
3D Exploration 1.03. Производитель
: X Dimension
Один из лучших, если не сказать лучший просмотрщик 3D графики.
В отличие от растровой и в какой-то мере векторной графики, в сфере 3D до сих
пор отсутствовал явный лидер среди просмотрщиков. На эту роль претендовали несколько
программ, но универсальной и к тому же удобной программы не было. 3D Exploration
похоже намерен заполнить этот пробел и у него есть все предпосылки для этого.
Во-ервых - нормальный интерфейс с деревом каталогов и областью промотра. Во-торых
хорошо поставленная работа с кнопками мышки. По правой кнопке происходит удаление/приближение
обьекта. Левая кнопка может менять свое действие в стандартном диапазоне 3D
программ: вращение, перемещение, масштабирование.
3D Exploration способен показывать модели созданные практически
в любом распространенном 3D редакторе. Программа понимает файлы 3D Studio, TrueSpace,
WaveFront, AutoCAD, LightWave, а также файлы Quake I и II. В ближайших версиях
авторы обещают вставить поддержку для 3D MAX и VRML. Процесс рендеринга очень
быстрый. Как и положено солидной программе, 3DE умеет раскрашивать все обьекты
сцен в их собственные цвета и "разбирать сцену" включая-выключая отдельные обьекты
при помощи древовидной структуры. Для того чтобы облегчить просмотр обьектов,
программа предлагает несколько типов освещения. Ну и наконец Fullscreen режим
в стиле InternetExplorer, когда кроме Вашего обьекта и полоски инструментов,
на экране больше ничего нет. Кроме 3D обьектов, 3D Exploration показывает также
JPEG, BMP, PCX, TGA, PNG, TIF и GIF файлы.
Xara 3D. Производитель : Xara Ltd
Компания Xara, хорошо известная своим векторным редактором, выпускает
также и 3-мерный построитель надписей. Этот инструмент имеет все основные свойства
подобных продуктов, такие как вращение текста, установка источников освещения,
смена цвета и текстур. От своих конкурентов отличается отличной проработанностью
всех инструментов, хорошей скоростью рендеринга и устойчивостью в работе. Буквы
в Xara3D можно снабжать фасками на краях, тенью, а также менять рисунок подложки
для будущего рисунка.
Xara 3D, возможно, один из лучших продуктов в своей нише. Кроме
статичных картинок, Xara умеет создавать также и анимированные GIF файлы с вращающимися
словами и фразами. Но к сожалению кроме вращения вокруг одной из осей, Xara3D
ничего больше не умеет.
Xara 3D - это отличное средство для любителей украшать свои web-страницы
безумными, дергающимися гифами. Картинка создается без каких либо напряжений
ума, а затем с такими же нулевыми усилиями водружается на свое место в сети.
ПЮГДЕКШ
БРСКЙЮ ОЕПЕУНДМШИ